Poids de combustible brûlé par mq de grille
Un des éléments les plus importants, dans la conduite du foyer, est l'activité de la combustion qui se mesure par le poids de combustible brûlé sur la grille, par heure et par mètre carré. Ce poids, dont on est maître dans une certaine mesure, dépend de la nature du combustible et surtout de la vitesse d'accès de l'air, c'est-à-dire de l'énergie du tirage.
Dans les conditions moyennes d'une chaudière à vapeur, avec un tirage par cheminée de 20 à 3o mètres de hauteur, le registre en partie baissé de manière à produire une combustion modérément active, correspondant à une dépression moyenne dans le foyer de 3 millimètres à 3"", 5 en hauteur d'eau, on charge sur la grille, par mètre carré :
60 à 70 kilogrammes de houille tout-venant, sur une épaisseur de o°,io à o™,i2 environ.
80 à 90 kilogrammes de coke sur une épaisseur de o°*,i2 à o",i5.
i5o à 200 kilogrammes de bois sur une épaisseur de o",i5
Nous désignerons, dans tous les calculs qui vont suivre, par p le poids de combustible, en kilogrammes, brûlé par mètre carré de grille et par heure.
La manœuvre du registre, en faisant varier le tirage, permet d'augmenter et de diminuer cette consommation dans de grandes limites, de 5o p. 100 en plus ou en moins. Avec une cheminée puissante, un tirage très actif correspondant à une différence de pression de 8 à 10 millimètres en hauteur d'eau, entre les deux .côtés de la grille, on peut consommer jusqu'à 100 et 120 kilo-
grammes de tout- venant par heure et par mètre carré. L'épaisseur de la couche doit être réglée en proportion.
Au contraire, en baissant le registre, on peut réduire la consommation à 3o et même 20 kilogrammes par mètre carré de grille.
La combustion des autres combustibles peut varier dans les mêmes proportions.
Pour les foyers ordinaires à houille de chaudière à vapeur, on peut admettre que la combustion doit pouvoir varier, par la manœuvre du registre, de 40 à 100 kilogrammes par mètre carré de grille, avec une combustion moyenne de 60 à 70 kilogrammes.
Quand le tirage est obtenu par un ventilateur ou par un jet de vapeur comme dans les locomotives, la combustion, par mètre carré, peut être considérablement augmentée. C'est ainsi que dans les locomotives on arrive à brûler 4oo kilogrammes et plus, de houille, par mètre carré de grille, sur une épaisseur de o",2o à o"*,25 et même o"*,3o. La dépression dans le foyer atteint alors o", 10 de hauteur d'eau.
248. Surface de la grille. — La surface d'une grille doit évidemment être on rapport avec la quantité de combustible que l'on doit brûler ; mais ses dimensions absolues en largeur et en longueur ne doivent pas, pour la facilité du service, sortir de certaines limites.
La largeur ne doit pas être inférieure à o",25 ; au-dessous de cette limite, la masse de combustible en ignition est trop faible et la combustion se maintient difficilement; d'un autre côté, la largeur ne doit guère dépasser i mètre, ce qui conduit à des portes déjà très grandes. On a fait cependant des grilles de i™,2o et i",3o et jusqu'à 1^^,60 de largeur. On met alors deux portes distinctes de chargement.
La longueur de la grille est aussi limitée ; il ne convient pas de dépasser 2 mètres, et même avec cette longueur le chauffeur peut difficilement surveiller et charger également l'extrémité du foyer.
Il résulte de là qu'une grille de 2 mètres carrés de surface est à peu près un maximum qu'il ne convient pas de dépasser. Lorsqu'on a besoin d'une surface plus grande, il vaut mieux employer plusieurs grilles et plusieurs foyers.
249. Calcul des dimensions d'une grille. — Il est facile avec ces données de calculer les dimensions d'une grille. Désignons par s la surface de la grille cherchée, par p, comme nous venons de le dire, le poids de combustible brûlé par mètre carré et par heure, et par N la puissance calorifique de ce combustible.
Le poids de combustible brûlé par heure est ps, et si la combustion était complète, la chaleur dégagée serait psN, La chaleur utilisée dans l'appareil de chauffage est toujours beaucoup moindre, tant par suite de la combustion incomplète que des pertes de toute nature, refroidissement des parois, dégagement des gaz de la combustion encore chauds, etc. ; on n'utilise à l'effet industriel qu'une fraction de la chaleur totale. Cette fraction que nous désignerons par p s'appelle le rendement.
Si donc nous avons besoin de produire utilement une quantité de chaleur U, on aura la relation
\] = pps^. (1)
La valeur du rendement p est très variable suivant les appareils, les dispositions prises ; elle est comprise, pour les chaudières à vapeur, entre o",4o et o°,8o.
C'est de cette formule qu'on déduit la surface s de la grille.
On commence par calculer la quantité de chaleur U à fournir, d'après le but qu'on se propose.
Supposons qu'on veuille établir une grille pour une chaudière capable de produire en moyenne 5oo kilogrammes de vapeur à l'heure. Le nombre de calories X, nécessaire pour vaporiser à /° un kilogramme d'eau prise à 0, est donné par la formule connue
Sbr. 2^
Pour la vapeur à 5 atmosphères, t=z i52*,26, et si Veau d'alimentation est à 12 degrés, on a
X=6o6,54-46>44 — i2^^640)94 et par suite
U = 5oo X 64o>94 — 320 470 calories.
Si on admet un rendement p = 0,60, et si on emploie une houille de puissance calorifique N = 8 000 , la relation ( i ) donne
320 470 = 0,60 X 8000 ps
d'où ps^G&'jyS.
On doit brûler en moyenne sur la grille 66", 76 de houille par heure.
Quand le tirage est réglé dans des conditions modérées, on peut prendre, pour de la houille, p — 65", et alors
La grille devrait avoir un peu plus de i"""* de surface totale.
On fait généralement la largeur plus faible que la longueur ; si on prend 0,80 pour cette largeur, on trouve i,"28 pour la longueur.
Ainsi une grille de 0,80 de large sur i",28 de long répondrait à la question.
Le calcul pour un autre combustible se ferait de la même manière, en donnant à N et à /j? les valeurs convenables.
Si le calcul conduisait à des dimensions de plus de 2"^'', il conviendrait d'employer plusieurs foyers et plusieurs grilles.
Si, par exemple, on avait à produire 3 000 kilogrammes de vapeur en moyenne par heure, on trouverait
U — 1 922 820 calories,
et pour le poids de combustible, en prenant N=: 8000 et p = 0,60, soit pN = 48oo,
et enfin, en faisant encore p = 65
Il faudrait trois grilles de a^'joS ou quatre grilles de i"'»,54 de surface chacune.
250. Hauteur du foyer. — La distance entre la grille et la chaudière dépend de la nature du combustible ; elle se divise en deux, l'épaisseur de la couche de charbon et Tespace réservé au développement de la flamme.
L'épaisseur de la couche de combustible doit être d'autant plus forte que l'air a plus de facilité à la traverser afin qu'il ne passe pas une proportion trop grande d'air en excès. Nous avons donné (24?) les épaisseurs ordinaires, pour un moyen tirage, et pour les principaux combustibles. Cette épaisseur ne saurait se fixer d'une manière absolue à cause de la grande variété des combustibles, plus ou moins secs, plus ou moins collants. C'est au chauffeur, par l'aspect du foyer, à l'ingénieur, par des analyses de gaz, à déterminer l'épaisseur la plus convenable, suivant la nature du combustible qu'il emploie et le tirage dont il dispose.
L'espace réservé au-dessus de la couche de combustible doit être naturellement d'autant plus grand que le combustible produit plus de gaz à la distillation et par conséquent plus de flamme. Si la chaudière était trop rapprochée, les gaz s'éteindraient et la combustion serait incomplète. D'un autre côté, il ne convient pas que cette distance soit trop grande ; d'abord on diminue quelque peu l'effet du rayonnement, et de plus, les gaz, montant verticalement, se mélangent mal; la combustion se fait moins bien que lorsque le courant est renversé.
L'expérience indique que pour les houilles ordinaires tout-
venant, la distance entre la grille et la chaudière doit être comprise entre o,35 et o,45. Quand la grille est inclinée, on peut mettre o,5o à o,55 à Tarrière, et o,3o à o,35 àTavant.
Pour le coke, la distance moyenne est un peu plus forte, de o,4o à 0,55 à cause de la plus forte épaisseur; pour le bois qui en outre produit beaucoup de flamme, il convient de laisser o,5o à 0,55.
261. Autel. — A l'extrémité de la grille se trouve une partie surélevée en briques réfractaires qu'on désigne sous le nom A'autel.
L'autel est destiné, non seulement à limiter l'espace occupé par le combustible, mais surtout à forcer le courant gazeux à se renverser et à changer de forme, pour produire le mélange des gaz combustibles et comburants, et obtenir le contact nécessaire à la bonne combustion. Il faut avoir soin, dans ce but, de faire l'autel un peu surélevé, de manière à réduire la section de passage et déterminer la déformation de la flamme ; il se produit, àla suite, des remous et des tourbillons dans la partie brusquement rélargie. C'est un moyen simple et efficace de produire le mélange.
252. Cendrier. — Le cendrier est l'espace situé au-dessous de la grille et au fond duquel tombent les cendres et les escarbilles ; en avant se trouve une large ouverture pour l'introduction de l'air sous la grille. La section d'entrée doit être au moins égale à celle des vides entre les barreaux, c'est-à-dire au quart ou au tiers de la surface totale de la grille ; mais il n'y a pas d'inconvénient à la faire plus grande si les dispositions particulières y conduisent.
Il est d'une grande importance que le cendrier ait une hauteur assez grande pour que les cendres chaudes et les escarbilles enflammées, qui tombent au fond, ne rayonnent pas trop fortement sur le dessous des barreaux. Quand le cendrier est trop bas, la grille se trouve ainsi prise entre deux feux et se détruit rapidement
Une hauteur de o,35 paraît être un minimum, et il faut avoir soin d'enlever fréquemment les cendres et les escarbilles.
Une bonne pratique consiste à placer dans le fond du cendrier une cuvette en fonte de o,io à 0,12 de hauteur (fig. 109, iio), pleine d'eau et munie, à Tavant, d'un bec allongé se raccordant avec le sol extérieur. L'eau éteint de suite les escarbilles enflammées qui tombent de la grille et empêche par conséquent l'effet nuisible de leur rayonnement. De plus, ces escarbilles retirées facilement par l'avant, après leur extinction, sont séparées des cendres par un criblage, et peuvent servir à nouveau comme combustible. C'est en réalité du petit coke qui, sans la bâche pleine d'eau, aurait brûlé dans le cendrier d'une manière nuisible.
La surface brillante de la nappe d'eau, dans le fond du cendrier, présente en outre l'avantage d'indiquer au chauffeur l'état de la combustion sur la grille. Si la teinte éclairée est irrégulière, surtout s'il y a des parties noires, c'est que la combustion se fait mal dans les points correspondants de la grille, et le chauffeur doit ringarder en conséquence pour rétablir l'égalité de la couche de combustible.
On attribue aussi une certaine influence à la vapeur qui se dégage de l'eau de la bâche sous l'effet du rayonnement de la grille en dessous, vapeur qui, en traversant le combustible, se décomposerait et contribuerait ainsi à allonger la flamme des combustibles secs et à faciliter leur combustion.
